Stara, poczciwa maszyna elektrostatyczna

Andrzej Karbowski

Grzegorz KarwaszKatedra Dydaktyki Fizyki

Uniwersytet Mikołaja Kopernika

Helena Nowakowska

Instytut Maszyn PrzepływowychPolska Akademia Nauk, Gdańsk

„Elektryczność i magnetyzm”

dydaktyka.fizyka.umk.pl/zabawki1

Jak uczesać włosy bez ich dotykania?

G. Karwasz & Maria Karwasz, Brzeg, 26.03.2011http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/nowa_strona/?q=node/786

Piorun, iskra, łuk spawalniczy

Van

de

r G

raaf,

spaw

ark

a,

łuk

pla

mozw

y

Researchers have documented a thunderstorm producing an electric potential of about 1.3 billion volts (GV), 10 times greater than the largest value ever reported.

March 15, 2019• Physics 12, 29

Elektron, czyli bursztyn

• „Już starożytni Grecy” – ale nie tylko oni, wierzyli w magiczne własności bursztynu (jantaru)

• Podobno Arka Przymierza zabiła chłopca, który jej dotknął. Historia (wymyślona) mówi, że drewniana arka obita była (wewnątrz i zewnątrz) złotymi blachami [czyli był to kondensator elektryczny]. Kapłani, na wysokich koturnach codziennie polerowali je wełnianą sierścią [czyli elektryzowali przez pocieranie]. Chłopiec był boso, więc uległ porażeniu [nie byłizolowany od ziemi].

• Piorun jest to wyładowanie elektryczne (a właściwie skomplikowana seria bardzo szybkich przepływów ładunków) w atmosferze, a różnica potencjałów między chmurą a ziemiąmoże dochodzić do setek milionów woltów (i więcej)

Elektron, czyli bursztynDziś, nie musimy używać bursztynu (ani gotować dębowych

rękojeści w oleju, jak to robił Alessandro Volta)

Mnóstwo tworzyw sztucznych (w zasadzie wszystkie) to izolatory, czyli nie przewodząładunków elektrycznych

Foto: Maria Karwasz

Waga elektrostatyczna Volty

https://alessandrovolta.it/wp-content/uploads/2011/07/pag57.png

Siarkowa kula

Podobne iskry obserwujemy, zdejmując „elastyczny” lub wełniany sweter przez głowę (i mając włosy umyte)

Elektryczność w XVII wieku była grą towarzyską na salonach arystokratów

Już Tales z Miletu około 500 r p.n.e zauważyłszczególne właściwości bursztynu (z greckiego elektron).

W XVII wieku znane były eksperymenty z kulami siarki lub szkła: przez tarcie powstawała „elektryczność”, aż do wielkich iskier, jeśli (lekka) dziewczyna była izolowana (za pomocąjedwabiu) od ziemi.

Robert Symmer (1707-1763) zaobserwowałelektryzowanie się swoich białych i czarnych, (wełnianych i jedwabnych) skarpet, które zakładał jedna na drugą.

Jednocześnie Benjamin Franklin badał energięelektryczną z piorunów, które łapał do butelki

lejdejskiej (czyli kondensatora).

Ale droga do zrozumienia zjawisk elektrycznych była długaDoświadczenie Symmera było ważne, bo pokazało istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych.

I tak już jest: dwa rodzaje ładunków. Od czasów Volty jedne nazywamy dodatnimi (proton, czyli jądro atomowego wodoru) a jedne ujemnymi (elektron, czyli nośnik prądu w drucie). Dlaczego tylko dwa? Nie wiemy.

Ładunki tego samego rodzaju się odpychają, a dwóch różnych rodzajów – przyciągają.

Trzy fakty, dziś oczywiste, nie były takie w XVII wieku

1. Że ładunki są dwóch rodzajów, i tylko dwóch

2. Że ładunki powstają (np. przez jonizację atomu Ar → Ar+ + e-) zawsze parami.

Innymi słowy, sumy ładunków dodatnich i ujemnych w całym wszechświecie są identyczne

3. Siły elektryczne działają na nieskończone odległości (inaczej niż tzw. oddziaływania „silne” lub „słabe” w jądrze atomowym).

Innymi słowy, to te oddziaływania są najsilniejsze w atomie: to one nie pozwalają rozpędzonemu (1/137 prędkości światła) elektronowi oddalićsię od jądra.

Wiązania chemiczne to są siły elektrostatyczne

Siły elektryczne (a raczej elektrostatyczne) są potężne: to one trzymają materię „razem”.

Chemicy mówią o różnego rodzaju wiązaniach: kowalencyjnych, jonowych, wodorowych, i tzw. van der Waalsa.

We wszystkich przypadkach są to siły elektrostatyczne (> 99%).

Amerykański podręcznik (R. Feynmana) podaje przykład wieżowca w Nowym Jorku, o wysokości prawie 300 m, który w czasie silnych wiatrów odchyla się o niecały metr.

Cząsteczki CaCO3 są związane w kryształ kalcytu(cement) poprzez siły elektrostatyczne.

Foto: Wiki

Ionic bond: pure electrostatic, point-likeinteration

e.g. Na+Cl-

We draw Na+ smaller to show that Na atoms lostone electron

We draw Cl- bigger, but these are not very goodrepresentations

Co-valentnp. H2

https://www.boundless.com/chemistry/textbooks/boundless-chemistry-textbook/https://www.fzu.cz/~kolorenc/qmc/

Molecular bond (H2O)

Metallic bond

P. Souvatzis, https://www.researchgate.net/publication/259182003_Uquantchem_Supplementary/figures?lo=1

Density of electronic chargeIs this covalent?or ionic?

Without doubt strong andimportant for life.

van der Waals bond(i.e. mutual polarization)

The shift of charges in the neighbouring atom due to the mutual electrostatic interaction. In this is formed, for example, weakly bonded Ar2 molecule (0.08 eV)

Dimers of formic acidTotal Energy = -236967.26 kcal/molZPVE = 45.93 kcal/molElectron affinityEA = -21 kcal/molEA with ZPVE corr. = -18,68 kcal/mol

(HCOOH)2

Electron density

The bond is formed via exchanging the hydrogenaotm (or more preciesely: bare proton, of thesimilar dimensions of electron). Chemists call thisbond – hydrogen one „Note a low density of electrons around H atom.

H

H

C

O

O

Low energy electron driven reactions in single formic acidmolecules (HCOOH) and their homogeneous clusters, I Martin, T Skalicky, J Langer, H Abdoul-Carime, G Karwasz, E Illenberger, ...Physical Chemistry Chemical Physics 7 (10), 2212-2216

W doświadczeniach z kulą siarkową, skarpetami, swetrem, ebonitowymi patykami

Rozdział ładunków następuje przez kontakt (pocieranie)

Ze względów nie do końca jasnych, na jednym materiale zbiera się więcej elektronów, kosztem drugiego materiału

Napięcia elektrostatyczne mogą być bardzo duże: 10 kV i więcej!

Elektryzowanie przez indukcjęPodręczniki (włoskie również) mówią o:elektryzowaniu przez pocieranie (efekt trybo-elektryczny) elektryzowaniu przez dotykelektryzowaniu przez indukcję

Po prostu, jakoś te ładunki muszą się przemieszczać

Elektrofor Volty (perpetuum mobile?)Volta wymyślił też coś w rodzaju perpetuum mobile: elektryzowanie, w nieskończoność, bez konieczności pocierania

Oczywiście, nie jest to żadne perpetuum mobile: energii niezbędnej do rozdziału ładunku dostarcza „ręka”, która musi oddalić od siebie dwie płyty przeciwnie naładowane (czyli przyciągające się).

Żródło: A. Caforio, A. Ferilli, Nuova Fisica, Le Monnier

Jeszcze jedno, trudne doświadczenie

Intuicyjnie, wcale nie jest prosto wyjaśnić, dlaczego spływa akurat ładunek dodatni, a nie ujemny.Należałoby rozważyć rozkłady pola elektrostatycznego wokółnaładowanego kija, i w obecności dwóch przewodników: elektroskopu i ręki

Żródło: A. Caforio, A. Ferilli, Nuova Fisica, Le Monnier

Work in progress…

Doświadczenie choinkowe (Coulomba)

Oddziaływanie dwóch naładowanych elektrycznie kulek może byćrozważane jak oddziaływanie dwóch ładunków punktowych

F = k q1q2 / r 2

Doświadczenie choinkowe (Coulomba), c.d.

Im bombki mniejsze, tym lepsze

+ _

+

++

+

Dwa razy dalej:4 x mniejsza siła

„tresowanie puszki”

++++ -

M. Sadowska, G. KarwaszStara, poczciwa maszyna elektrostatycznaFizyka w szkole, 5/2011, 2011, str. 40-50.

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Publikacje_2011/Maszyna_el_2011.pdf

Stara, poczciwa maszyna (elektrostatyczna)

James Wimshurst (1878)

Stara, poczciwa maszyna (elektrostatyczna)

Nigdy nie wiadomo, który „biegun” jest dodatni, a który ujemnyA próba zmierzenia (naładowanej maszyny) skończy się spaleniem woltomierza. Trzeba go podłączyć przed zakręceniem maszyny.

Pole elektryczne, czyli przestrzeń, gdzie działają siły elektryczne

Dookoła ładunku punktowego są to linie radialnePomiędzy dwoma przeciwnymi ładunkami są to „łuki”

Płomień świecy to zjonizowany gaz: ładunkiprzepływają w polu elektrycznym

W płomieniu są jony (np. CO2+) – to one „pociągają” płomień w kierunku

elektrody ujemnej.

+ +- -

Płomień świecy w pobliżu ostrze zachowuje się jeszcze „dziwniej”

Dodatnio naładowane ostrze odpycha płomień.Ujemnie naładowane – przyciąga. Ale w silnym polu zachodzi jonizacja N2 i jony N2

+ i CO2+ się odpychają.

Kołatka elektrostatyczna

Współpraca: mgr Krzysztof Służewski

+

+ + +

+

- -

-

- -

„nie działa!”

- -

-

- - -

- - -

- - - - -

-

-

kołatka

Feynman: łatwiej wyrysować anioła niżpole elektryczne

Kołatka elektrostatyczna

Kołatka elektrostatyczna

Kołatka elektrostatyczna (multimedia)

Autor: mgr Krzysztof Służewski

Elektroskop

Dwie płyty

Oczyszczanie pyłów

„Tresowana puszka”„Elektrostatyczny odkurzacz”

„Elektron”

Andrzej Hamerla, student II roku fizyki, 2009 rok

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Elektrostatyka/Elektrostatyka.html

Polecam na Święta, i po Świętach

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/nowa_strona/?q=node/601http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/nowa_strona/?q=node/163 Miłej lektury!